集成运算放大器基础PPT课件

1、 集成电路的封装形式集成电路的封装形式 圆壳式圆壳式 双列直插式双列直插式 扁平式扁平式 单列直插式单列直插式 菱形式菱形式第1页/共75页集成电路的工艺特点：集成电路的工艺特点：（1）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现）元器件具有良好的一致性和同向偏差，因而特别有利于实现需要对称结构的电路。需要对称结构的电路。（2）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦）集成电路的芯片面积小，集成度高，所以功耗很小，在毫瓦以下。以下。（3）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。）不易制造大电阻。需要大电阻时，往往使用有源负载。（4）只能制作几十）只能制作几十pF以下

2、的小电容。因此，集成放大器都采用以下的小电容。因此，集成放大器都采用直接耦合方式。如需大电容，只有外接。直接耦合方式。如需大电容，只有外接。（5）不能制造电感，如需电感，也只能外接。）不能制造电感，如需电感，也只能外接。第2页/共75页l 运算放大器运算放大器(operational amplifier)是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早开始应是一种有着十分广泛用途的电子器件。最早开始应用于用于19401940年，年，19601960年后，随着集成电路技术的发展，运年后，随着集成电路技术的发展，运算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来越算放大器逐步集成化，大大降低了成本，获得了越来

3、越广泛的应用。广泛的应用。l 应用应用主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等主要用于模拟计算机，可模拟加、减、积分等运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测运算，对电路进行模拟分析。在信号处理、测量及波形产生方面也获得广泛应用。量及波形产生方面也获得广泛应用。集成运算放大器集成运算放大器高增益的直接耦合的集成高增益的直接耦合的集成的多级放大器。的多级放大器。什么是集成运算放大器？第3页/共75页第4页/共75页9.19.1零点漂移零点漂移第5页/共75页将前级的输出端直接接后级的输入端。将前级的输出端直接接后级的输入端。可用来放大缓慢变化的信号或直流量变化的信号。可用来放大缓慢变化的信号或直

4、流量变化的信号。+UCCuoRC2T2uiRC1R1T1R2+RE2第6页/共75页直耦放大电路的特殊问题零点漂移零漂现象零漂现象：产生零漂的原因产生零漂的原因：由温度变化引起的。由温度变化引起的。当温度变当温度变化使第一级放大器的静态工作化使第一级放大器的静态工作点发生微小变化时，这种变化点发生微小变化时，这种变化量会被后面的电路逐级放大，量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压最终在输出端产生较大的电压漂移。因而零点漂移也叫漂移。因而零点漂移也叫温漂温漂。输入输入ui=0时，输出有缓慢时，输出有缓慢变化的电压产生。变化的电压产生。+-Re1b1Rc1RT1ouuiTV2CCRe

5、2VEEuo0t3. 减小零漂的措施用非线性元件进行温度补偿用非线性元件进行温度补偿采用差动放大电路采用差动放大电路第7页/共75页 电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对电路结构对称，在理想的情况下，两管的特性及对应电阻元件的参数值都相等。应电阻元件的参数值都相等。 +UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2两个输入、两个输入、两个输出两个输出两管两管静态工静态工作点相同作点相同9.29.2差动放大电路差动放大电路第8页/共75页uo= VC1 VC2 = 0uo= (VC1 + VC1 ) (VC2 + VC2 ) = 0静态时，静态时，ui1 = ui2 =

6、 0当温度升高时当温度升高时ICVC （两管变化量相等）（两管变化量相等）+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2第9页/共75页+UCCuoRCRB2T1RB1RCRB2RB1+ui1ui2+T2+共模信号共模信号 需要抑制需要抑制第10页/共75页+UCCuoui1RCRB2T1RB1RCui2RB2RB1+T2+差模信号差模信号 是有用信号是有用信号第11页/共75页例例1: ui1 = 10 mV, ui2 = 6 mV ui2 = 8 mV 2 mV 例例2: ui1 =20 mV, ui2 = 16 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 18 mV +

7、 2 mV ui2 = 18 mV 2 mV 可分解成可分解成: : ui1 = 8 mV + 2 mV 这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制这种输入常作为比较放大来应用，在自动控制系统中是常见的。系统中是常见的。 第12页/共75页第13页/共75页+UCCUEEuu+输入级输入级中间级中间级 输出级输出级同相同相输入端输入端输出端输出端反相反相输入端输入端 输入级：输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放信号，都采用带恒流源的差放 。 中间级：中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的要求电压放大倍数高。常采用带恒流源

8、的共发射极放大电路构成。共发射极放大电路构成。 输出级：输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。第14页/共75页 ri 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放： ri KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几十小：几十 几百几百 ro 0 A o 很很大大:104以上以上 107Ao 运放的特点和符号运放的特点和符号运放符号：运放符号： u u+ uo A0 u u+ uo A0 u u+ uo 第15页/共75页二、主要参数1.

9、最大输出电压最大输出电压 UOPP 能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2. 开环差模电压增益开环差模电压增益 Auo 运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。 Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6. 共模输入电压范围共模输入电压范围 UICM 运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。3. 输入失调电压输入失调

10、电压 UIO4. 输入失调电流输入失调电流 IIO5. 输入偏置电流输入偏置电流 IIB第16页/共75页87654321- -UCC+ +UCCuou+u- -调零调零调零调零空空双列直插式单运放外部引脚（双列直插式单运放外部引脚（ A741）标志标志第17页/共75页第18页/共75页1. 理想运算放大器Auo ， rid ，ro 0 ， KCMR 2. 电压传输特性电压传输特性 uo= f (ui)线性区：线性区：uo = Auo( (u+ u)非线性区：非线性区：u+ u 时，时， uo = +Uo(sat) u+ u 时，时， uo = + Uo(sat) u+ 0时，时，| T(j

11、 )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的的信号顺利通过，衰减很小，信号顺利通过，衰减很小，而使高于而使高于 0的信号不易通过，的信号不易通过，衰减很大，衰减很大，称一称一 阶有源低通阶有源低通滤波器。滤波器。 为了改善滤波效果，为了改善滤波效果，使使 0 时信号衰减得时信号衰减得更快些，常将两节更快些，常将两节RC滤滤波环节串接起来，波环节串接起来，组成组成二阶有源低通滤波器。二阶有源低通滤波器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O第47页/共75页频率频率角角称为截止称为截止RC1:

12、 式中0 uiuoRFCR+ R1+设输入为正弦波信号，则有设输入为正弦波信号，则有第48页/共75页 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，称为的信号被阻止，称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 ,0时时当当 ,时时当当 20f0)(1)(j uATf0)(juAT 0)(j T 01Fioj11)(j)(j)(j RRUUT 0f0j1 uA其模为其模为,0时时当当 2)(jf0uAT 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | T(j ) | O第49页/共75页第50页/共75页uo u+ u Uo(sat)+Uo(

13、sat)饱和区饱和区O第51页/共75页 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。 数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合 。 第52页/共75页电压传输特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对

14、应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。 uiuoOURURuouiR2+ R1+可见，在可见，在 ui =UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压第53页/共75页uitOUROuot +Uo (sat) Uo (sat)t1t2 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时， uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOUR第54页/共75页UZ UZuoRDZURuouiR2+ R1+电压传输特性电压传输特性 Uo(sat) +Uo(sat)uiuoOUR第55页/共75页URuouiR2+ R1+tuituo+Uo

15、(sat)Uo(sat)第56页/共75页存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形 第57页/共75页第58页/共75页施密特Schmidt触发器)RF UU当当 uo = + Uo(sat)， 则则 当当 uo = Uo(sat)， 则则iuu 门限电压受输门限电压受输出电压的控制出电压的控制R2uoui+ R1+ 2 2RuUURRo(sat)F() 2 2RuUURRo(sat)F() 2o 2RuuRRF第59页/共75页uiuoO Uo(sat)+Uo(sat) U电压传输特性电压传输特性 UuitOuoOt+Uo(sat)Uo(sat) U U两次跳变之间具有迟两次跳变之间具有迟滞特

16、性滞特性滞回比较器滞回比较器RFR2uoui+ R1+第60页/共75页 F2R 2F2FRRuUURRRRo(sat)()可见：可见：传输特性不再对称于纵轴，传输特性不再对称于纵轴， UU +URRFR2uoui+ R1+ U U第61页/共75页o(sat)F 2 2 2URRRUUU 第62页/共75页第63页/共75页集成运放应用中的几个问题集成运放应用中的几个问题 在实际应用中， 除了根据用途和要求正确选择运放的型号外，还必须注意以下几个方面的问题。 1. 对集成运放的粗测对集成运放的粗测 根据集成运放内部的电路结构，可以用万用表粗略测量出各引脚之间有无短路或开路现象，判断其内部有无

17、损坏。测试时必须注意， 不可用大电流挡（如R1()挡）测量，以免电流过大而烧坏PN结；也不可用高电压档（如R10 k档）测量，以免电压过高损坏组件。第64页/共75页32746+Vcc-VeeVo+-A741 黑表笔黑表笔 (+) 红表笔红表笔 (-) 电阻值电阻值 7 脚脚 3 脚脚 无穷大无穷大 3 脚脚 7 脚脚 44 K 7 脚脚 2 脚脚 无穷大无穷大 2 脚脚 7 脚脚 46 K 7 脚脚 6 脚脚 无穷大无穷大 6 脚脚 7 脚脚 10 K 6 脚脚 4 脚脚 1000 K 4 脚脚 6 脚脚 10 K 如果测得阻值与表中值相差太多，说明运放的差动输入级或者推挽输出管有损坏。第6

18、5页/共75页 2. 调零问题调零问题 由于失调电压、失调电流的影响， 使运放在输入为零时，输出不等于零。为此，必须采取调零措施予以补偿。 运放设有调零端子。这时可选用精密的线绕电位器进行调零。两个输入端接地，调节调零电位器，使输出电压为零。 集成运放未设调零端子，特别是双运放、四运放一般没有专门调零端。对这样的运放，可采用辅助调零的办法加以解决。第66页/共75页第67页/共75页一个运放如不能调零，大致有如下原因： 组件正常，接线有错误。 组件正常，但负反馈不够强。 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。 组件正常，调零电位器有问题。 组件内部损坏，应更换好的集成块。第68页/共75页 3. 消除自激问题消除自激问题 运放在工作时容易产生自激振荡。表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可